用于感应淬火的方法和装置与流程

文档编号:30012448
研发日期:2022/5/13

本发明涉及用于工件的感应淬火(induktiven)的方法和装置,该工件特别是诸如齿轮(Zahnrad)、链轮(Kettenrad)或锯条等齿形和/或波浪形工件,其中,将形状匹配的感应圈引导或放置到待淬火的表面上。

背景技术

众所周知的是,在感应淬火的情况下,使感应圈靠近工件的待淬火表面或使其经过该表面,其中,通过施加交变电压或者必要时通过相对于磁场的相对运动而感应出电压,该电压在工件中感应出涡流并部分地加热工件。对于足够大的工件,热量能足够快地消散到工件的仍然冷的其余部分中,从而发生淬火,尽管如此,在必要时要也可以进行激冷(Abschrecken)。通过频率控制,可以控制穿透深度或淬火深度,其中,加热的程度可以受到电流强度和供电持续时间的影响。总体而言,通过感应淬火可以将具有复杂轮廓的工件仅在限定的区域中有针对性地加热到需要的淬火温度,从而使其局部淬火。

为了在更复杂的表面(例如,齿形或波浪形或波纹形)上实现轮廓线上均匀的淬火结果,感应圈的形状匹配于齿轮廓或波浪形轮廓或通常匹配于要淬火的表面轮廓,以便在要淬火的表面轮廓与感应圈的轮廓之间实现尽可能恒定的距离,或者如果期望淬火深度的相应非恒定的过程,则在感应圈的长度上有针对性地改变该距离。

通常,感应圈是中空的,以便能够在淬火过程期间用水或其他冷却介质冷却感应圈。因此,感应圈是通过弯曲和连接通常具有矩形或正方形横截面的单独管制成的。根据所需的感应圈轮廓,适当地切割、锯断、弯曲不同的管件并通过焊接将它们相互连接,以使感应圈的轮廓在形状上匹配于工件的待淬火的表面轮廓。然而,由于所述切割、锯断、弯曲和焊接,感应圈的几何自由度受到限制,并且期望的感应圈轮廓的生产变得非常困难和复杂。

感应圈在淬火过程期间不得接触工件,并通过设置在工件和感应圈之间的间隙分离。通过使感应圈匹配于工件的轮廓或其待淬火的表面来确定间隙宽度。由于感应圈对于工件具有优先的几何匹配性,因此感应圈目前在形状上仅匹配于工件的单独部分,其中,逐步地感应淬火工件的各个部分。例如,在对齿轮或齿条的齿部进行淬火时,通常使用感应圈,该感应圈通常在形状上仅匹配于两个相邻齿面(Zahnflanken)之间的一个齿槽(Zahnlücke)或匹配于最多两至三个这种齿槽。在此,通过平行于齿轮的旋转轴线或横向于齿条的纵向方向的进给运动引导感应圈穿过齿槽,其中,随后将感应圈或者齿轮或齿条设置得更远,并且通过再次的进给运动引导感应圈穿过仍未淬火的齿面。因此,齿轮逐个部分地进行感应淬火。

因此,在所述齿槽淬火中,感应圈在形状上匹配于至少两个相邻的齿面和它们之间的根部区域。与单齿淬火相比,所述齿槽淬火的优点是在受到高应力的齿根区域中实现了均匀淬火,并且由于将感应圈循环地重新放置在下一个齿槽或下一个齿槽组中而使得硬度不均匀性只发生在齿顶的区域中。然而,在更复杂的齿部几何形状的情况下,期望的是能够不仅在齿根区域中,而且还在齿顶区域中避免硬度不均匀性。

原则上,还期望能够同时对更大的齿和齿槽组或类似的波浪形轮廓组或一般表面轮廓组进行感应淬火,以便一方面缩短淬火过程需要的总加工时间,另一方面,通过重新放置感应圈来尽可能地减小硬度不均匀性。同样,期望的是可以通过将感应圈和待淬火的表面轮廓之间的形状偏差保持为尽可能小或可以尽可能精确地保持感应圈和表面轮廓之间的距离来尽可能精确地控制淬火过程。

为了能够同时淬火齿轮的多个齿或齿槽,文献EP 23 10 542 B1提出了使用多个感应圈或淬火感应器,它们分散地围绕齿轮的圆周布置,而且彼此之间的距离对应于两个相邻齿的扇形角的整数倍。如果根据齿部的齿距进一步旋转齿轮,则多个感应圈总是可以同时穿过齿槽。然而,齿顶区域中的硬度不均匀性在此仍然存在。此外,淬火时间仍然相当长,因为需要大量的淬火循环和齿轮或淬火装置的相应旋转运动。

文献EP 22 64 192 A1提出了在保护气体的影响下对齿轮进行感应淬火,其中,保护气体应至少环绕正要淬火的区段,以防止齿面表皮氧化。在此,感应圈的形状匹配于待淬火的齿槽。

文献DE 10 2011 053 139 A1提出了使用具有S形曲线的感应线圈来淬火齿条的齿部,以将感应电流定向为至少部分地垂直于齿面。

为了即使在更复杂的齿部几何形状的情况下也能实现均匀的淬火深度,文献DE 10 2008 041 952 B4提出了同时施加不同的频率。

从文献DE 956 259 B和DE 969 927 B中已知了用于对齿部进行感应淬火的其他装置。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种用于工件的感应淬火的改进的方法和改进的装置,它们避免了现有技术的缺点并且以有利的方式发展了现有技术。特别地,对于具有更复杂轮廓的工件,也应在不产生不期望的硬度不均匀性或淬火变化的情况下,通过可以有效执行的并需要短加工时间的淬火过程来实现均匀的淬火结果,而为此无需过多的工具成本。

根据本发明,所述目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求7所述的装置来实现。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。

因此,提出了通过增材式材料沉积将用于淬火相应工件的感应圈逐层地构建成所需的轮廓,从而消除传统感应圈的几何限制,例如因锯切、弯曲和焊接管段而产生的几何限制。根据本发明,通过增材式材料沉积逐层地形成感应圈,特别逐层地构建并例如热固化感应圈,从而在形状上匹配于工件的待淬火表面。通过增材式材料沉积以及由此逐层产生的轮廓,感应圈在形状上也可以非常精确地匹配于诸如齿部等更复杂的表面轮廓,使得可以精确地形成感应圈和工件表面之间的在淬火期间要保持的间隙或距离。

特别地,感应圈可以通过3D打印过程制造,其中,感应圈可以例如通过3D打印机中的逐层构建来构建,并且在必要时可以通过热后处理进行固化。

特别地,材料层可以通过能量束连续地逐层液化和/或固化。例如,一种或多种材料可以以粉状和/或糊状和/或液体的形式逐层沉积,并相应地通过激光束、电子束或等离子体束逐层熔化(aufgeschmolzen)或固化(verfestigt)和/或硬化和/或化学反应,以分别形成硬化层。通过这种逐层形成,即使是小部分的表面轮廓,感应圈也可以在形状上精确地地匹配于在不同的直线和/或弯曲轮廓部分之间具有变化的曲率和/或角度过渡的复杂轮廓曲线,使得能够使感应圈和工件表面之间的在淬火时所需的间隙在表面轮廓上保持恒定或以期望的方式改变,从而实现非常均匀的淬火结果。

在本发明的有利改进示例中,感应圈在形状上可以匹配于待淬火的表面的多个齿形轮廓、波浪形轮廓或波纹形轮廓,由此可以避免例如在齿顶处或甚至在齿根中的硬度不均匀性。特别地,通过经由增材式材料沉积以所述方式逐层地形成感应圈并且在此使其形状匹配于表面轮廓,感应圈可以在形状上同时匹配于工件的多于三个或多于五个,或者甚至多于十个或任意数量的(优选为分别相邻的)齿槽或波谷或齿或波浪或凹痕或凸痕或突起和凹陷或一般凹部或隆起或形状变化。通过这种感应圈,可以同时淬火所述多于三个或多于五个或者甚至多于十个的齿槽或波槽凹部或突出。一方面,通过同时淬火如此大量的表面轮廓部段显著减少了淬火所需的加工时间。另一方面,避免了如在逐个齿地周期性地重新放置仅形状匹配于一个齿槽的感应圈时产生的硬度不均匀性。

特别地,借助于所述感应圈,多于25%或多于50%或多于75%的整个待淬火的齿部轮廓和/或波浪形轮廓和/或表面轮廓可以同时被感应圈包围或覆盖,并且同时进行淬火。在本发明的改进示例中,感应圈在形状上也可以匹配于整个待淬火的表面轮廓,并且同时对工件的整个待淬火的表面轮廓进行淬火。例如,如果对齿轮进行淬火,感应圈可以环绕齿轮的三分之一或三分之二的圆周,或者甚至环绕整个圆周,并且在形状上精确地或以期望的方式匹配于齿槽或齿面和齿顶的轮廓,以便在感应圈和齿部外形轮廓之间具有均匀的或以期望方式变化的距离,并且相应地实现均匀的淬火结果。

另一方面,如果对齿条进行淬火,感应圈例如可以在齿条或齿条的带齿区域的多于四分之一或一半或四分之三的长度上延伸,或者甚至在整个长度上延伸,并且在此形状匹配于在此过程中覆盖的齿槽、齿面和齿顶。

有利地,可以通过逐层增材式材料沉积将感应圈形成为内部中空,以便在感应圈的内部形成冷却剂通道。冷却剂通道中的或流经冷却剂通道的诸如水聚合物溶液混合物或油或其他液体冷却介质等冷却介质可以在淬火时冷却感应圈或防止其过热或使其保持在期望的温度上。尽管环形轮廓可能很复杂,但可以在3D打印中形成具有内部冷却剂通道的中空环形外形。

附图说明

下面参考优选的示例性实施例和相关附图来更详细地说明本发明。

图1示出了用于对齿轮进行感应淬火的装置的感应圈的侧视图,该感应圈在齿轮的整个外圆周上延伸并且在形状上精确地匹配于齿槽和齿的轮廓,其中观察轴线对应于齿轮的旋转轴线的图示。

图2示出了在相对于齿轮旋转轴线倾斜的观察方向上的环绕待淬火齿轮的感应圈的立体图,其示出了感应圈的与齿部的形状匹配的轮廓。

图3示出了齿轮和与其齿部的形状匹配的感应圈的侧视图,与根据图1和图2的实施例相比,该感应圈在形状上仅匹配于三个以上的齿槽,并且在端部处具有用于冷却剂的入口和出口。

图4示出了在相对于齿轮的旋转轴线倾斜的观察方向上的根据图3的部分环绕待淬火的齿轮的感应圈的立体图。

图5示出了齿轮和与其齿部的形状匹配的感应圈的侧视图,其中感应圈包括两个用于同时淬火的部分感应圈,并且被构造为使得感应圈和齿部表面轮廓之间的间隙具有非恒定的、预定的间隙尺寸轮廓。

图6示出了在相对于齿轮的旋转轴线倾斜的观察方向上的根据图5的齿轮和周围感应圈的立体图。

图7示出了用于同时淬火的两级齿轮以及形状匹配于不同齿部区域以同时淬火不同齿级区域的感应圈的侧视图。

图8示出了在相对于链齿轮的旋转轴线倾斜的观察方向上的根据图7的多级链轮齿和与其形状匹配的感应圈的立体图。

具体实施方式

如图1和2所示,感应圈2可用于带齿工件1的齿部8的局部淬火,其中,所述带齿工件1可以是齿轮或齿条(Zahnstange)。然而,如上所述,具有类似波浪形或凹槽轮廓或具有不同轮廓表面的其他工件也可以以相应的方式进行感应淬火。

有利地,如图1和2所示,感应圈2可以同时覆盖齿部8的至少大部分,特别覆盖整个齿部8。

感应圈2是在增材式材料沉积(additiven Materialauftrag)过程中,特别用3D打印过程来制造,其中,感应圈可以通过在3D打印机中逐层构建来构造,并且在必要时可以通过热后处理来固化。在此,感应圈有利地由导电材料,特别由金属材料构成。

感应圈2可被设计为具有圆形或滚圆形、扁平的(例如,椭圆形的)横截面,但也可以具有楞角的,特别是矩形或正方形的横截面。此外,如果待淬火工件的几何条件需要,感应圈可以具有任意横截面。

如图1和图2所示,感应圈2可以通过增材式逐层材料沉积来精确地匹配于齿部8的形状,特别在形状上精确配合地匹配于齿部8的齿槽5和齿6,使得放置在齿部8上方的感应圈2与齿轮廓和齿槽轮廓之间的间隙9可以精确地保持为恒定,从而使沿感应圈2的纵向延伸的间隙尺寸保持至少基本恒定。因此,可以实现期望的淬火结果,例如实现均匀的淬火深度。

然而,如图5和6所示,通过增材式材料沉积和逐层形成,感应圈2也可以有针对性地成形为偏离待淬火表面(特别是齿部8)的轮廓,以便实现间隙9的间隙尺寸的定义走向,例如,齿6的尖端处的间隙尺寸略大于齿槽5的底部处的间隙尺寸。特别地,感应圈2可以在3D打印过程中被成形为使得间隙尺寸沿感应圈2连续和/或周期性地改变,以实现期望的淬火深度分布。

如图1和2所示,感应圈2可以在齿轮的整个圆周上延伸且/或在整个齿部8上延伸,并且在此匹配于齿和齿槽的轮廓。

如图1和2所示,感应圈2的宽度可以小于工件1的厚度。在感应淬火过程中,可以通过进给运动引导感应圈2通过工件1的整个宽度,其中,这种沿齿轮的旋转轴线方向的进给运动可以由感应圈2和/或由待淬火的工件1执行。将感应圈2以平行于齿6的齿面或平行于齿槽8的底部的方式推过工件1,以便在整个宽度上对齿部8进行淬火。

然而,替代地,也可以更宽地设计感应圈2,使得感应圈2的宽度对应于或大于工件1的厚度。

如图1和2所示,感应圈2可以有利地包括冷却剂供入口3和冷却剂出口4,以便能够将其引入到在感应圈2的内部延伸的冷却剂通道7中,特别能够循环通过所述冷却剂通道7,并且在淬火期间通过冷却剂通道7中的冷却剂来冷却感应圈2。

在通过增材式材料沉积逐层地形成感应圈2时,在感应圈2的内部形成所述冷却剂通道。

然而,如图3和4所示,在必要时,感应圈2也可以仅覆盖齿部8的部分部段,例如在三个相邻的齿槽5上延伸。在这种情况下也可能有利的是,感应圈2精确配合地紧贴齿槽5和限定齿槽5的齿6的轮廓,从而实现具有恒定间隙尺寸的间隙9。如图3所示,所述间隙尺寸可以从齿槽5的底部经过齿面直到齿6的尖端或顶部基本保持相同。

为了淬火整个齿部8,在被感应圈2覆盖的齿槽5的淬火循环之后,工件1可以进一步旋转一定角度,该角度对应于被感应圈2覆盖的最外侧齿槽之间的角度。换句话说,齿轮进一步旋转三个齿,以便能够将感应圈2引入到三个尚未淬火的齿槽5中。替代地,齿轮也可以进一步旋转所述角度的整数倍,例如旋转六个或九个齿。作为进一步旋转齿轮的替代或补充,感应圈2也可以相应地旋转,即该感应圈可以在齿轮的圆周方向上进一步移动。

如图5和6所示,感应圈2的形状也可以匹配于齿部8的轮廓,使得感应圈2和齿部8之间的间隙9不完全保持恒定而是变化的,特别是连续和/或稳定地增大并再次更小,以便在齿部8的不同部分上实现不同的淬火结果,特别是实现不同的淬火深度。

与此无关,如图5和图6所示,也可以同时使用两个以上的感应圈2,其中,每个感应圈2可以具有冷却剂入口3和冷却剂出口4。在此,有利地,冷却剂入口3和冷却剂出口4可以分别由共同的感应器基座(Induktorfuβ)供给。

如图7和8所示,也可以在工件1上同时淬火彼此分离的单独轮廓部分。一个或多个感应圈2可以在形状上匹配于工件1的不同轮廓部分,其中,所述轮廓部分可以特别具有不同的直径且/或在轴向上相互间隔开。

如图7和8所示,带齿的工件1可以包括两个单独的齿部8,它们例如可以具有不同的齿数和/或不同的节圆直径。例如,具有两个齿部8的阶梯式链轮齿可以通过同时为两个齿部8分配感应圈2来进行淬火。在此,每个感应圈2可以在形状上以所述方式精确地匹配于齿部轮廓,在必要时可以具有期望的间隙尺寸变化。

在此,有利地,感应圈2可以完全环绕两个齿部8,但在必要时,也可以类似于图3至图6,在一个或两个齿部8的情况下,仅部分部段可以被感应圈2覆盖。

如图7和8所示,可以使用两个单独的感应圈2,每个感应圈可以具有可由共同的感应器基座供给的冷却剂入口3和冷却剂出口4。然而,替代地,也可以形成连续的感应圈2,其以相应形状匹配的方式包围两个齿部8。

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